基于高速攝像技術枸杞振動采收運動規律的研究

王亞磊，陳 云，韓 冰，陳 軍

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

枸杞子含有豐富的胡蘿卜素、多種維生素和鈣、鐵等健康眼睛的必需營養物質，對我國西北地區的農業經濟有巨大貢獻，目前在全國種植面積早已達到幾十萬公頃；枸杞屬無限花序植物，采摘周期長，夏枸杞果的采收時間在6-8月；秋枸杞果的采果期在9-11月。枸杞樹多荊棘、果實小、種類繁多，主要以人工采收為主。由于在收獲季節勞動資源短缺，成熟的枸杞未及時采收而爛在地里，造成嚴重的經濟損失，因此迫切希望出現一種能滿足采收要求的機械。

果實機械化采收技術廣泛應用于發達國家，如美國、西班牙、意大利和英國等，采收對象主要為藍莓、樹莓、扁桃、油橄欖、銀枸杞、核桃和柑橘等，以振動式機械采收技術應用最為普遍[1-4]。

2007年，Refik Polat等人進行了開心果的采收試驗，得到了激振頻率20Hz、振幅60mm、作用時間10s時，采收率可達100%[5]。2009年，BlancoRoldan等人利用樹干振動采收機進行了油橄欖采收試驗，并提出以不同振動參數分批采收的方法以提高采收率[6]。2012年，LongshengFu等人為了找出采收率高且效果最好的高叢藍莓采收最適振動速度，利用高速攝影記錄采用具有5個調速擋的18mm線鋸對藍莓樹枝進行變速振動的采收過程，表明激振頻率為1 670次/min時可分離87%成熟和24%未成熟的藍莓[7]。

目前，接觸式振動采收機械廣泛用于收獲藤本水果,如藍莓、樹莓、沙棘和黑莓等[8-13]；但收獲的果實損傷嚴重，主要用于生產果醬類食品。通過研究枸杞振動采收運動規律可進一步對果實在脫落瞬間瞬時速度進行分析,對減小振動采收果實的損傷率有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

試驗時間為2017年6月15日，地點為寧夏回族自治區中衛市中寧縣(7°32'48.2"N 105°40'25.9"E)，品種為寧夏枸杞7號，樹齡在4～5年。

1.2 試驗儀器

主要儀器：振動發生器、傳感器、功率放大器、數據采集儀、OLYMPUS高速相機及i-speed Control Software處理軟件等。

高速攝影機型號為i-speed LT，最大分辨率為1 280×1 024，最大分辨率下幀數為10 000幀，具有較高的分辨率和靈敏度。與其配套的i-speed處理軟件可以對采集后的圖片與影像進行實時跟蹤、圖像處理及數據分析等。

振動發生器的工作原理是通過多排振動尼龍棒直接插入樹冠，利用曲柄滑塊機構使其產生振動,進而使果實與枝條分離。

1.3 試驗過程

1)選擇成熟度合適、生長狀態良好的寧杞7號果樹為試驗對象，選擇性去除周圍多余的枝葉以免在振動跟蹤過程中形成盲區[14-18]。

2)由于枸杞果實體積較小，對待跟蹤枸杞果實做沿果實縱向標記線，以便在i-speed處理軟件中進行跟蹤與果實運動分析處理。

3)將待測果樹側枝按照一定順序與方向安裝加速度傳感器，利用數據采集儀對受迫振動下的枸杞側枝瞬時速度進行采集處理。

4)布置振動發生器的位置，使待測枝條能夠順利進行往復振動，振動拍打頻率為6Hz，振動幅度為30mm。當枸杞側枝受到激振力作用后在空間進行往復運動，側枝的振動方式可視為自由振動與強迫簡諧振動的組合。

5) 利用i-speed高速相機對枸杞側枝熟果脫落過程進行跟蹤，考慮到試驗現場的光照條件和工作環境，選用每秒500幀、1 280×1 024像素進行跟蹤拍攝。利用i-speed處理軟件回放高速視頻并進行處理計算，研究枸杞果實在振動脫落過程中的運動規律，為振動采收設備提供理論依據。

2 結果與分析

2.1 枸杞果實脫落瞬時速度變化分析

2.1.1同高度同側枝不同位置的枸杞果實瞬時速度變化規律

圖1為一組枸杞果實與所在側枝的位置分布圖。枸杞果實所在的側枝直徑為4.5mm，枸杞果實從左至

右依次為1、2、3號，枸杞果實1、2、3號生物力學特性相似，與振動排齒作用點距離為80～100mm其位置關系如圖1所示。試驗中，將枸杞熟果脫落時刻的前后40幀作為時間分析序列，共選取80幀作為研究對象，利用i-speed處理軟件對枸杞果實振動脫落的運動規律進行處理分析。回放分析中，將枸杞果實質心處分別標記為point1 、point2和point3，通過逐幀跟蹤計算果實1、2、3號的瞬時速度并利用Origin軟件對果實脫落瞬間繪制時間速度曲線圖，如圖2所示。

圖1 枸杞果實1、2、3號位置關系圖Fig.1 The location of wolfberries

圖2 枸杞果實脫落前瞬時速度曲線圖Fig.2 The instantaneous velocity changes of wolfberries before falling off completely

由圖2可知：枸杞果實1、2、3號瞬時速度的變化規律主要分為3個階段。第1階段為0～44ms,枸杞果實的瞬時速度范圍為0.2～1.4m/s，瞬時速度出現波動，整體趨于增大趨勢；第2階段為44～70ms,枸杞果實的瞬時速度范圍為1.2～2.97m/s，果實的瞬時速度變化幅度較大，1、2、3號果實瞬時速度分別在56、62、64ms時出現峰值2.58、2.97、2.83m/s；第3階段為70～86ms,果實瞬時速度再次進入波動階段，整體趨于降低趨勢，枸杞果實的瞬時速度范圍為0.5～1.8m/s。

通過對果實脫落運動的逐幀分析可知：在44～70ms時間段，枸杞果實1、2、3號的瞬時速度變化明顯，在56、62、64ms時枸杞果實1、2、3號瞬時速度達到峰值，此時果實與果柄處出現斷裂，果柄與側枝連接處未出現明顯斷裂；同一側枝的不同位置的枸杞果實脫落順序不同，距離振源較近的果實脫落時刻早于距離振源較遠的果實；由于本組枸杞果實1、2、3 號為同振幅、同頻率條件下振動，故在果實脫落過程中1、2、3號果實瞬時速度的變化規律較為相似，果實的瞬時速度隨著振動作用時間的增加呈先增大后減少的趨勢，其3個階段運動時間分別為44、26、16ms。

2.1.2 枸杞果實與所在側枝瞬時速度對比

整理枸杞果實與側枝分離的瞬時速度數據，選取果柄與側枝連接處為側枝運動的跟蹤點，果實質心為果實運動的跟蹤點，繪制枸杞果實與所在側枝的瞬時速度對比曲線，如圖3所示。進一步研究枸杞振動采收過程中,枸杞果實與所在枝干的相對運動，為振動采果參數提供理論參考。

圖3 果實與枝干脫落前瞬時速度對比曲線圖Fig.3 Comparison of instantaneous velocities between Fruit and branch of wolfberries

由圖3可知：枸杞果實與所在側枝分離過程瞬時速度的變化規律整體可以分為3個階段來分析。第1階段：在0～45ms枸杞果實與所在側枝瞬時速度變化趨勢一致，二者瞬時速度變化存在波動，整體呈周期性增大趨勢；第2階段：在45～100ms枸杞果實與所在側枝的瞬時速度變化明顯，分別在54ms與78ms枸杞側枝與枸杞果實的瞬時速度達到最大值1.75 m/s與2.62 m/s，在76ms時果實與側枝的瞬時速度差值最大，枸杞果實與側枝完成分離；第3階段：在100～120ms枸杞果實與所在枝干的瞬時速度變化趨勢一致，二者瞬時速度變化存在波動，整體呈周期性減小趨勢。

通過逐幀分析可知：枸杞果實的瞬時速度與側枝的瞬時速度變化趨勢大致相同，先周期性增大至最大值后周期性減小；枸杞側枝瞬時速度的數值整體低于果實的瞬時速度，由于振動排齒作用于枸杞側枝，側枝的瞬時速度變化早于果實的瞬時速度變化。

2.2 枸杞果實脫落過程運動特性分析

為研究枸杞果實在脫落瞬間的運動情況，采用高速攝影機以1 000幀/s及每隔1ms拍攝的一組枸杞果實脫落過程圖。圖4分別為枸杞果實完全脫落前10、5、脫落時刻，以及脫落后5、10ms的的運動情況圖。在跟蹤拍攝前利用黑色記號筆標記待跟蹤枸杞果實與果柄、果柄與側枝以及枸杞果實相對側枝的位置，以便觀察枸杞果實在脫落過程中的運動過程。

(a) 脫落前10ms (b) 脫落前5ms (c) 脫落時刻 (d) 脫落后5ms (e) 脫落后10ms圖4 枸杞果實脫落分離過程圖Fig.4 Diagram of separalion process between wolfberry and stalk

由圖4可知：枸杞側枝在激振力的作用下枸杞果實與果柄發生分離而果柄與側枝連接部分未發生明顯斷裂情況，故枸杞果實與果柄處的結合力小于果柄與枝干的結合力。通過觀察枸杞果實縱向標記線可知枸杞果實在脫落過程中存在以下3種運動形式：

1) 直線往復運動。當枸杞側枝受到外加激振力作用時，側枝產生與激振力方向一致的直線往復運動，掛果側枝與果實產生相對運動，從而果實隨之產生空間內的直線往復振動，果實與果柄、果柄與側枝之間主要受剪力作用。

2) 定點搖擺運動。由于枸杞側枝、果柄與果實在生物力學特性存在差異，在振動采收過程中枸杞果實在慣性力的作用下，產生以果柄與側枝連接處為中心、果柄長為轉動半徑的定點搖擺運動，果實相對側枝產生變加速的單擺運動，果實與果柄之間主要受拉力作用。

3) 扭轉運動。枸杞果實質量較輕，在振動狀態下產生以果實縱向中軸線為中心的扭轉運動，果實與側枝之間主要受到扭轉力作用。

3 結論

1) 在果實脫落的過程中，枸杞果實的瞬時速度變化主要分為3個階段，整體呈周期性先增大后減小的趨勢。

2) 在相同振幅、頻率的條件下，同一側枝的不同位置的枸杞果實脫落順序不同，其距離振源較近的果實優先脫落。

3) 在相同振幅、頻率的條件下，枸杞側枝的瞬時間速度與枸杞果實的瞬時速度存在一定的時間差，二者的運動趨勢大致相同即呈先周期性增大至最大值后周期性減小，當二者的相對速度最大時，枸杞果實所受加速度最大并與側枝發生分離。

4) 枸杞果實在脫落中存在沿振動方向的直線往復運動、相對果柄與側枝連接處的定點搖擺運動及繞自身中軸線為中心的扭轉運動。

5) 枸杞果實與果柄的結合力小于果柄與側枝的結合力，當枸杞果實所受剪切力、扭轉力與拉力的合力大于果實與果柄的結合力時，果實與果柄完成分離。